C5116A立式车床的PLC控制.doc

论文题目：C5116A立式车床的PLC控制

目 录
一 绪 论 3
1.1 PLC的介绍 3
1.2 C5116A单柱立式车床的概述 3
1.3 本文的内容 4
二 系统控制过程分析 5
2.1 C5116A型单柱立式车床的控制过程 5
2.2 C5116A型单柱立式车床的动作流程图 6
三 立式车床控制系统设计 7
3.1 控制系统PLC的选型 7
3.2 系统I/O分配表 8
3.3 系统的电路设计 11
3.4 编写PLC梯形图 17
3.5 系统调试 22
四 总 结 23
参考文献 24
致 谢 25

·
一 绪 论
1.1 PLC的介绍
PLC可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。PLC以它的高可靠性和易操作性，主导了工控行业数十年，它将继续存在且壮大下去。并在越来越多的行业中应用。
1.2 C5116A单柱立式车床的概述
C5116A单柱立式车床由立柱、工作台及底座、十六级变速箱、横梁、垂直刀架、侧刀架、进给箱、横梁升降机构组成。该机床是万能型机床，它的控制的核心是：
1、对工作台（卡盘或主轴）的起动、停止、变速，采用PLC控制；
2、横梁的升降采用PLC控制；
3、垂直刀架运动、侧刀架运动两部分采用传统的继电器、接触器控制。

图1-1 C5116A型单柱立式车床
1.3 本文的内容
本文主要内容是：
1、 分析C5116A型单柱立式车床的工作过程；
2、 选用PLC的型号及其各个功能模块；
3、 设计控制系统的硬件连接电路，并且为系统分配I/O端口；
4、 利用PLC顺序控制设计法，编写PLC的梯形图；
5、 对梯形图程序进行调试。

二 系统控制过程分析
2.1 C5116A型单柱立式车床的控制过程
机床全部可动部位分别由七台三相交流电动机拖动，分别是油泵电动机、工作台（卡盘）旋转拖动电动机、横梁升降拖动电动机、垂直刀架的快速移动与进给移动拖动电动机。
1、工作台（卡盘）起动、停止的控制
为避免工作台电动机起动时对车间供电电源的冲击，控制线路采用Y—Δ变换的降压起动。首先须起动油泵电动机，油泵正常转动后，信号灯HL1亮，标志机床液压和润滑系统正常，可以起动机床其它部位。工作台可实现正方向（顺时针方向转动）点动，反方向（逆时针方向转动）点动，正方向（顺时针方向转动）长动。点动为电动机处于Y接状态，按下按钮时电动机运转，工作台转动，不按时电动机停转，并处在自由停止状态，工作台就会慢慢停止下来。长动时电动机进行Y—Δ降压起动，即电动机先处于Y接状态，10s后Y接接触器脱开，Δ接接触器吸合，电动机处于Δ接状态运转，工作台正常运转。
工作台停止控制采用能耗制动，操作方式采用手动控制制动时间，即按压停止按钮时间为电动机制动时间，松开按钮制动被解除。此时如始终按压工作台电动机停止按钮，电动机就一直处在制动状态，则工作台就会很快停下来，如按压工作台电动机停止按钮瞬间后就松开，则电动机就处在自由停车状态，则工作台停止所用时间就会拖长。
2、工作台（卡盘）变速的控制
机床使用液压来实现工作台的变速，变速箱由油缸推动交换齿轮实现十六级的变换。而推动齿轮的油缸工作所需的液压油由电磁阀的通断来控制。
3、横梁升降的控制
机床横梁可沿床身导轨作上下移动，且根据行程要求设有终点限位开关，横梁移动操作只作点动，且必须在工作台停止状态下才能作上下移动。由于横梁是被液压油缸通过杠杆放大，将横梁牢固的夹紧在立柱上，因此如果要移动横梁，必须首先使其放松，且要放松到位才能运动。
4、垂直刀架的控制
垂直刀架的移动方式分为快速运动和进给运动两类，它们分别由两台三相交流电动机拖动，进给运动分为“Ⅰ档”和“Ⅱ档” ，而且必须在工作台正方向长动过程中才能运动。刀架的运动方向分为上下左右，由十字开关选择。为在加工过程中实现对工件的手动“赶工” ，在操作上设有转换开关，需要赶紧刀时将此转换开关所控制的制动离合器断开，即可实现一个方向由电动机拖动，另一个方向用手搬动机械操作手柄完成。
2.2 C5116A型单柱立式车床的动作流程图
车床的动作流程图如图2-1所示。

图2-1 车床的动作流程图

三 立式车床控制系统设计
立式车床的控制的核心是对工作台（卡盘）的起动、停止、变速，横梁的升降两部分采用PLC控制；而对垂直刀架运动、侧刀架运动两部分采用传统的继电器、接触器控制。
3.1 控制系统PLC的选型
对于本立式车床, 根据系统所要实现的功能及控制要求，计算所需要的I/O点数。输入输出点数是PLC组成控制系统时所能接入的输入输出信号的最大数量，表示PLC组成系统时可能的最大规模。
1、PLC的输入点有：
（1）急停按钮：用于紧急状态时停止整台机床的电源；
（2）油泵的起动、停止按钮：用于控制油泵的起动、停止；
（3）油泵过载保护装置：当油泵电机过载时，自动切断油泵的控制线路电源，起到保护油泵的作用；
（4）油压保护装置：当油压未达到设计的压力时，自动切断油泵的控制线路电源，要求操作者检查油量、油路后重新起动机床。
（5）卡盘正方向点动、反方向点动、正方向长动、停止按钮：用于控制卡盘电机的起动、停止；
（6）卡盘电动机过载保护装置：当卡盘电动机过载时，自动切断卡盘电动机的控制线路电源，起到保护电动机的作用；
（7）卡盘变速起动按钮：用于起动的卡盘变速；
（8）卡盘变速锁杆行程开关：用于检测变速是否完成；
（9）卡盘变速信号指令：共4个，用于给出十六级变速各级对应的信号；
（10）横梁上升、下降按钮：控制横梁上升、下降；
（11）横梁上极限位、下极限位限位开关：当横梁到达上极限位或下极限位时，自动切断横梁电动机的控制线路电源，使横梁不超程。
2、PLC的输出点有：
油泵接触器线圈、卡盘电机正转接触器线圈、卡盘电机反转接触器线圈、卡盘电机Y型联接接触器线圈、卡盘电机Δ型联接接触器线圈、卡盘电机能耗制动(直流侧)接触器线圈、卡盘电机能耗制动(交流侧)接触器线圈、油泵信号灯、卡盘变速信号灯、横梁电动机上升接触器线圈、横梁电动机下降接触器线圈、控制变速箱各轴齿轮动作的电磁阀（4只）、控制变速锁杆动作电磁阀、控制横梁夹紧液压放松电磁阀。
计算结果得到，立式车床共需22个输入点和17个输出点。综合经济性能及可靠性等几大因素，选用三菱公司高性能小型机的代表作FX2N—48MR为系统主控机。它属继电器输出型，输入输出点数各（24V DC）为24，扩展模块最大I/O点数为32。可以根据需要配置I/O扩展单元。
3.2 系统I/O分配表
PLC程序的地址码分为输入部分、输出部分以及定义程序中各延时时间继电器的作用三个部分，各部分具体如下：
(1)输入部分：
表2 PLC程序输入部分地址码
地址码
受控制对象
用途
备注
X000
SB1
急停按钮

X001
SB2
油泵起动按钮

X002
SB3
油泵停止按钮

X003
FR1
油泵过载保护

X004
SL1
油压保护

X005
SB4
卡盘正方向点动按钮

X006
SB5
卡盘反方向点动按钮

X007
SB6
卡盘正方向长动按钮

X010
SB7
卡盘停止按钮

X011
FR2
卡盘电动机过载保护

X012
SB8
卡盘变速起动按钮

X013
SQ1
卡盘变速锁杆行程开关

X014
SA-1
卡盘变速信号Ⅰ指令

X015
SA-2
卡盘变速信号Ⅱ指令

X016
SA-3
卡盘变速信号Ⅲ指令

X017
SA-4
卡盘变速信号Ⅳ指令

X020
SB9
横梁上升按钮

X021
SB10
横梁下降按钮

X022
SQ2
横梁上极限位限位开关

X023
SQ3
横梁下极限位限位开关

X024
SQ4
横梁夹紧液压放松到位开关

X025
FR3
横梁电动机过载保护

(2)输出部分:
表3 PLC程序输出部分地址码
地址码
控制对象
用途
备注
Y000
KM1
油泵接触器线圈

Y001
KM2
卡盘电机正转接触器线圈

Y002
KM3
卡盘电机反转接触器线圈

Y003
KM4
卡盘电机Y型联接接触器线圈

Y004
KM5
卡盘电机Δ型联接接触器线圈

Y005
KM6
卡盘电机能耗制动(直流侧)接触器线圈

Y006
KM7
卡盘电机能耗制动(交流侧)接触器线圈

Y007
HL1
油泵信号灯

Y010
HL2
卡盘变速信号灯

Y011
KA3
中间继电器3
控制变速Ⅰ轴电磁阀YV3
Y012
KA4
中间继电器4
控制变速Ⅱ轴电磁阀YV4
Y013
KA5
中间继电器5
控制变速Ⅲ轴电磁阀YV5
Y014
KA6
中间继电器6
控制变速Ⅳ轴电磁阀YV6
Y015
KA2
中间继电器2
控制变速锁杆电磁阀YV1
Y016
KA7
中间继电器7
控制横梁夹紧液压放松电磁阀YV2
Y017
KM8
横梁电动机上升接触器线圈

Y020
KM9
横梁电动机下降接触器线圈

(3)PLC程序中各延时时间继电器的作用:
表4 PLC程序中各延时时间继电器的作用
地址码
控制对象
用途
延时时间
T0
KT1
卡盘电机Y－Δ型联接接触器线圈转换延时时间
10s
T1
KT2
卡盘电机Y型联接接触器线圈消弧时间
1s
T2
KT3
卡盘电机Δ型联接接触器线圈消弧时间
1s
T3
KT4
卡盘电机能耗制动(交流侧)接触器线圈延时接通时间
1s
T4
KT5
卡盘电机能耗制动(直流侧)接触器线圈消弧时间
1s
T5
KT6
卡盘电机最大能耗制动(直流侧)接触器线圈接能时间
15s
T6
KT7
卡盘变速伺通接通时间
1s
T7
KT8
卡盘变速伺通断开时间
3s
T10
KT9
卡盘变速锁杆放松时间（电磁阀YV1接通时间）
13s
T11
KT10
机床油压加压延时时间
10s
T12
KT11
机床油压失压延时时间
30s

3.3 系统的电路设计
1、工作台（卡盘）的起动、停止电路
工作台电动机采用Y200L-4-B3型，30KW, 50Hz, 380V,56.8A,1470r/min的三相异步电动机，而油泵电动机采用Y90L-4-B5型，1.5KW, 50Hz,380V,3.7A, 1400r/min三相异步电动机。主电路电路图如图3-1所示。控制方式采用PLC控制其PLC控制的系统电路图如图3-2所示。

图3-1 工作台电动机主电路电路图

图3-2 工作台（卡盘）电动机起动、停止的PLC控制电路图
2、 工作台（卡盘）的变速电路
工作台（卡盘）的变速使用液压来实现变速，变速箱由变速油缸推动交换齿轮实现十六级的变换，其十六级的各电磁阀的动作状态如下表1所示，因而，其PLC控制的系统电路图如图3-3。
表1 十六级变速各电磁阀的动作状态表
电磁阀
YV3
YV4
YV5
YV6
5
-
+
+
+
6.3
+
+
+
+
8
-
-
+
+
10
+
-
+
+
12.5
-
+
-
+
16
+
-
+
+
20
-
-
-
+
25
+
-
-
+
32
-
+
+
-
40
+
+
+
-
50
-
-
+
-
63
+
-
+
-
80
-
+
-
-
100
+
+
-
-
125
-
-
-
-
160
+
-
-
-
注:“+”表示电磁阀接通,“-”表示电磁阀断开。

图3-3工作台（卡盘）变速的PLC控制电路图

3.、横梁升降电路
横梁电动机采用Y112M-6-B5型2.2KW, 50Hz, 380V, 5.6A, 940r/min的三相异步电动机。控制方式采用PLC控制，其PLC控制的系统电路图如下图3-5。

图3-4 横梁升降电动机主电路电路图

图3-5 横梁升降电动机PLC控制电路图
4、垂直刀架电路
垂直刀架的快速移动电动机采用Y90L-4-B5型1.5KW, 50Hz, 380V,3.7A, 1400r/min的三相异步电动机，而垂直刀架的进给运动电动机采用YD100L1-6/4-B5型，1.3/1.8KW, 50Hz, 380V,3.8/4.4A, 940/1440r/min三相异步电动机。控制方式采用传统的继电器、接触器控制，其继电器、接触器线圈动作的控制电路图如图3-6,电磁阀线圈的控制电路图如图3-7，垂直刀架电磁阀线圈控制电路图如图3-8。

图3-6 垂直刀架电动机主电路电路图

图3-7 垂直刀架电动机继电器、接触器线圈控制电路图

图3-8 垂直刀架电磁阀线圈控制电路图
3.4 编写PLC梯形图
编写梯形图程序，程序如下：

3.5 系统调试
PLC程序编好之后，先将编好的程序在电脑上进行仿真，在确定无误之后，再将程序下载到PLC中，进行调试，如果相关控制运行状态发生了变化，可先检查I/O开关量的电路连线是否正确。检查无误后在进行调试，调试无误后，立式车床的安装调试就完成可以正常使用。
调试过程中，把系统整体分为几个部分进行调试：
一、油泵控制（0至14）；
二、卡盘控制（18至157），
卡盘控制细分为：1、卡盘Y—Δ控制（18至93），2、卡盘制动控制（101至109）；3、卡盘变速控制（114至157）；
三、横梁控制（160至184）。

四 总 结
PLC 构成的立车系统成为目前的典型设计模式，得到广泛的应用。车床在可靠性、节能和运行效率等方面与传统的立式车床相比有了很大提高。使用了PLC控制，减少了大量的中间继电器和时间继电器，简化了控制电路，降低了系统的故障发生率，同时车床的维修也更方便。

参考文献
[1]. 可编程序控制器应用实训（三菱机型） ，作者： 苏家健 ， 顾阳 主编出 版 社： 电子工业出版社 ；出版时间：2009-1-1。
[2] 三菱FX系列PLC基础及应用. 作者： 韩晓新 　主编，出 版 社： 机工业出版社 ，出版时间：2010-8-1
[3] 电气控制与PLC应用，作者： 陶亦亦 　主编， 吴倩 ， 陆春元 　副主编，出 版 社： 清华大学出版社 ，出版时间：2010-10-1
[4] 现代电气控制及PLC应用技术（第2版），作者： 王永华 编著，出 版 社： 北京航天航空大学出版社 ，出版时间：2008-2-1
[5] PLC控制程序精编108例，作者： 王阿根 　编著，出 版 社： 电子工业出版社 ，出版时间：2009-12-1
[6] PLC基础及应用，作者： 廖常初 　主编，出 版 社： 机械工业出版社 ，出版时间：2010-2-1
[7] 三菱FX系列PLC应用技术，作者： 龚仲华 　编著，出 版 社： 人民邮电出版社 ，出版时间：2010-10-1 致 谢
在完成论文的过程中，老师给我提供了很多帮助，为我选定论文题目，提出宝贵意见，也帮我理清了思路，让我能够更顺利的完成论文。在完成论文之际，我在此衷心地感谢老师对我的论文的指导。